In risposta alla pressante necessità di più ventilatori per il trattamento dei pazienti critici COVID-19, un team guidato dagli ingegneri della Johns Hopkins University sta sviluppando e prototipando uno splitter stampato in 3D che consentirà a un singolo ventilatore di trattare più pazienti. Sebbene i professionisti medici abbiano espresso preoccupazioni sulla sicurezza e l'efficacia della condivisione dei ventilatori, il team ha progettato questo strumento per affrontare tali preoccupazioni.

"In questo momento c'è un'enfasi sull'utilizzo dell'ingegneria per sviluppare soluzioni open source per molti aspetti della crisi COVID-19, ma soprattutto per la progettazione e la produzione di ventilatori, " disse Sung Hoon Kang, un assistente professore di ingegneria meccanica presso la Johns Hopkins Whiting School of Engineering che guida un team che comprende rianimatori di terapia intensiva e specialisti polmonari presso la Johns Hopkins School of Medicine. "Un approccio è quello di utilizzare un ventilatore per trattare più pazienti. Sebbene ciò sia fattibile, deve essere sicuro per tutti i pazienti. Ciò significa garantire che ogni paziente riceva le cure di cui ha bisogno, senza imbrogliare nessuno. Questo è ciò che abbiamo deciso di creare".

Una grave condizione polmonare chiamata sindrome da distress respiratorio acuto, o ARDS, è la principale causa di morte per i pazienti COVID-19. Nei soggetti con ARDS, il liquido si accumula nei polmoni, limitando la quantità di ossigeno nel flusso sanguigno e privando gli organi vitali dell'ossigeno di cui hanno bisogno per funzionare correttamente. La condizione deve essere gestita da un ventilatore.

Con il diffondersi dell'epidemia di COVID-19, molte strutture sanitarie sono alle prese con una carenza delle macchine necessarie per curare i pazienti più malati. Tali carenze hanno già effettivamente fatto crollare il sistema sanitario in Italia, che attualmente riporta il numero più alto al mondo di decessi correlati al COVID-19 con oltre 13, 000.

Alcuni professionisti medici hanno espresso preoccupazioni sulla pratica della condivisione dei ventilatori. Primo, collegare più pazienti allo stesso ventilatore potrebbe diffondere germi e creare possibilità di contaminazione incrociata. Un'altra preoccupazione è che un ventilatore condiviso da più persone non darebbe a tutte loro il livello di ossigeno necessario, che potrebbe portare a risultati negativi per i pazienti e alti tassi di mortalità.

Secondo Kang, il nuovo design del team mira a salvaguardare da questi rischi. Il nuovo design include un controller del flusso d'aria e misuratori di portata, consentendo ai medici di monitorare e regolare il flusso d'aria per ciascun paziente. Il controller del volume dell'aria è un'aggiunta fondamentale perché ogni paziente intubato richiede un controllo del flusso diverso. Il team sta anche aggiungendo un filtro progettato per prevenire la contaminazione incrociata tra i pazienti, importante perché i primi rapporti suggeriscono che coloro che sono esposti a più persone infette hanno esiti peggiori.

Lo splitter deve anche essere facile da distribuire, data l'urgenza del bisogno.

"Abbiamo bisogno di un design robusto, ma uno che può essere prodotto con un processo di produzione relativamente semplice come la stampa 3D, "dice Christopher Shallal, un membro del team e un giovane laureato in ingegneria biomedica. "Stiamo anche considerando le diverse condizioni e impostazioni in cui le persone possono stampare i separatori di ventilatori. Ad esempio, potrebbero non disporre di una stampante ad alta risoluzione. Quindi teniamo presente la scalabilità durante la progettazione".

La divisione dei ventilatori è un trattamento sperimentale di emergenza che è stato utilizzato in precedenza in circostanze terribili, come durante le conseguenze della sparatoria di Las Vegas del 2017, quando gli splitter sono stati usati per stabilizzare giovani adulti feriti ma per il resto sani. Ma dividere un ventilatore per trattare più pazienti in vari stadi di insufficienza polmonare presenta una nuova e alquanto scoraggiante serie di sfide progettuali, secondo Julie Caffrey, assistente professore di chirurgia plastica e ricostruttiva presso la Johns Hopkins Medicine e membro del team.

"Utilizzare le stesse impostazioni del ventilatore per i pazienti con ARDS con diverse compliance polmonari potrebbe essere molto pericoloso. Un paziente potrebbe ricevere troppa aria; l'altro potrebbe non riceverne abbastanza, " Caffrey spiega. "Con ARDS, le strategie di ventilazione per migliorare la sopravvivenza sono spesso utilizzate per somministrare un volume corrente basso e una pressione più elevata. Se non riesci a gestirlo, si rischia di provocare ulteriori traumi a polmoni già molto storpiati. È molto importante che quando dividiamo un ventilatore, possiamo ancora impostare il ventilatore su quel paziente specifico".

Il team ha prodotto il prototipo e spera di finalizzare e iniziare a testare il loro design su modelli di polmoni entro poche settimane. Una volta approvato dalla FDA, hanno in programma di pubblicare il loro design open-source affinché altri possano utilizzarlo.

"L'obiettivo qui è portare rapidamente questa tecnologia negli ospedali di tutto il mondo e direttamente alle persone che ne hanno più bisogno, "dice Helen Xun, un membro del team e uno studente di medicina del terzo anno presso la Johns Hopkins School of Medicine.